La nageoire caudale des animaux aquatiques peut être modélisée par un foil oscillant qui produit de la poussée. Le sillage moyen d'un tel foil oscillant est un jet de quantité de mouvement nette positive. Il a été proposé que les caractéristiques de stabilité de ces sillages moyens sont liées à l'efficacité de la propulsion des animaux aquatiques. Dans cet étude, nous reprenons cette question en tenant compte à la fois de la poussée et de la traînée exercée sur un corps auto-propulsé lorsqu'il nage. Nous étudions la stabilité d'une famille de sillages ayant une quantité de mouvement nulle, construit comme l'approximation d'Oseen d'un doublet de force se déplaçant à vitesse constante. En effectuant une analyse de stabilité locale, nous montrons d'abord que ces sillages subissent une transition convectif-absolu. En utilisant une approche "time-stepper" et intégrant le système de Navier-Stokes linéarisé, nous étudions la stabilité globale et mettons en évidence des effets non-parallèles de l'écoulement principal, ainsi que le rôle de la région absolument instable dans l'écoulement. Pour compléter le scénario d'instabilité globale, nous abordons l'évolution non linéaire d'une perturbation injectée dans le sillage. Ces résultats sont ensuite discutés dans le contexte de la nage d'un animal aquatique. Selon les résultats de stabilité, les sillages de quantité de mouvement nulle produit par les animaux aquatiques sont généralement stables, tandis que le sillage qui correspondrait à la poussée seule est instable. Il est essentiel de considérer toutes les forces exercées sur un animal auto-propulsé lors de l'examen de la stabilité de son sillage et l'efficacité de sa propulsion. / The caudal fin of swimming animals can be modelled as a thrust-producing flapping foil. When considered alone, such a foil produces on average a jet wake with a positive net momentum. It has been argued that the instability characteristics of these averaged wakes are linked to the propulsion efficiency of swimming animals. Here, we reconsider this question by taking into account both the thrust and the drag exerted on a self-propelled swimming body. To do so, we study the stability of a family of momentumless wakes, constructed as the Oseen approximation of a force doublet moving at constant velocity. By performing a local stability analysis, we first show that these wakes undergo a transition from absolute to convective instability. Then, using the time-stepper approach by integrating the linearised Navier-Stokes system, we investigate the global stability and reveal the influence of a non-parallel base flow as well as the role of the locally absolutely unstable upstream region in the wake. Finally, to complete the global scenario, we address the nonlinear evolution of the wake disturbance. These results are then discussed in the context of aquatic locomotion. According to the present stability results, the momentumless wake of aquatic animals is generally stable, whereas the corresponding thrust part is unstable. It is therefore essential to consider all forces exerted on a self-propelled animal when discussing its wake stability and its propulsion efficiency.

La physique de nage d’une nageoire caudale flexible est étudiée expérimentalement grâce à une plaque flexible immergée dans un écoulement uniforme. Le bord d’attaque est forcé par un mouvement harmonique, tandis que le bord de fuite répond passivement au forçage. Une résonance en amplitude dans la réponse est mise en évidence et révèle une forte interaction entre les fréquences naturelles de la plaque et celles du forçage. Les résultats expérimentaux suggèrent un rôle non trivial de l’amplitude de forçage, qui souligne le rôle des non linéarités dans ce problème. Pour avoir une meilleure compréhension de l'origine de ces non linéarités, un modèle analytique faiblement non linéaire a été développé. Nous supposons une plaque d'épaisseur nulle immergée dans un écoulement potentiel, sujette à une force de traînée résistive. La déflection de la plaque a ensuite été décomposée en un mode rigide, mimant le forçage en pilonnement et en modes propres de flexion d’une poutre dans le vide. Les prédictions de la réponse en amplitude et en fréquence du système forcé sont alors calculées. Les fréquences de résonances, ainsi que l’enveloppe de la déflection, sont en bon accord avec les résultats expérimentaux. Les performances du système, mesurées à travers la poussée générée, est également correctement prédite par la modélisation. L’accord entre les expériences et le modèle est étendu à une étude trouvée dans la littérature. Une optimisation analytique a été conduite et étendue à l’application de la bio-robotique. / The physics of the swimming with a flexible caudal fin is studied experimentally by the means of an elastic plate immersed in a uniform water flow. The leading edge of the plate is forced into a harmonic motion, while its trailing edge responds passively to this actuation. A resonance response in amplitude is demonstrated, revealing a strong interaction between the natural frequencies of the plate and the forcing frequencies. Experimental results suggest a non-trivial role of the forcing amplitude, emphasizing the role of non linearities in this problem. To gain better insight into the origin of these non linearities, a weakly non linear model is developed. We model a quasi two-dimensional plate of zero thickness immersed in a potential flow and subject to a resistive drag-like force. The plate deflection is then decomposed into a forcing heaving mode and natural flexural modes. Predictions of the response in amplitude and frequency to a heave forcing system are then calculated. The frequencies of the resonances, as well as the shapes of the deflection, match the experimental results. The performance of the system measured through the generated thrust, is well predicted by the modelling. The experimental and modelling results presented here show (very) good agreement with the literature. Finally, an analytical optimization is undertaken and potential applications to bio-robotic are suggested.

Ce mémoire contient deux parties consacrées à deux applications des chaînes de particules magnétiques.<br />Le premier chapitre décrit la conception d'un capteur de forces intercolloïdales. Nous présentons différentes expériences permettant de caractériser les particules utilisées. Nous décrivons ensuite la réalisation du montage expérimental et le traitement des données. Enfin, nous comparons cette technique aux autres techniques.<br />Le second chapitre décrit la conception et la réalisation de nageurs à l'échelle microscopique. Nous fabriquons des filaments magnétiques flexibles en alignant des particules sous l'effet d'un champ magnétique. Les particules adjacentes sont reliées par des agents pontants. Nous avons étudié le comportement de ces filaments sous champ. Sous l'effet d'un champ magnétique oscillant, le filament se déforme : une onde se propage alors le long du filament, ce qui engendre une force propulsive, dont nous démontrons l'effet sur un nageur spermatomorphe. Enfin, nous vérifions des prédictions théoriques antérieures.

La capacité des leucocytes à se déplacer dans tout l’organisme est indispensable pour une réponse immunitaire rapide et efficace. Leur migration, dite amiboïde, est caractérisée par une vitesse importante (10-20 μm/min) et une grande adaptabilité face aux divers environnements qu’ils rencontrent, qu’ils soient bidimensionnels comme la paroi luminale endothéliale ou tridimensionnels (3D) comme les tissus. Telle qu'actuellement décrite, la migration amiboïde requiert de l’adhésion ou de la friction avec un support solide. Nous avons ici montré que les lymphocytes T effecteurs sont capables de nager sans interaction avec un support solide. Le mécanisme de propulsion est basé sur le flux rétrograde d’actine qui entraine une brosse protéique de molécules transmembranaires liées au cytosquelette entrant en interaction avec le medium. Par ailleurs, lors de leur migration sur la surface luminale des parois endothéliales, les leucocytes sont soumis à un flux important et s’orientent par rapport au flux via des mécanismes mal déterminés. Nous avons montré que l’orientation des lymphocytes et des neutrophiles respectivement dans le sens ou à contresens d’un flux peut s’expliquer sans détection moléculaire du stress hydrodynamique. Le lamellipode pour les neutrophiles et l’uropode pour les lymphocytes est non-adhérent et s’oriente dans le flux comme une girouette dans le vent. La polarisation avant-arrière réaligne l’ensemble de la cellule dans le même sens que l’extrémité orientée par le flux. Le mécanotactisme des leucocytes sous flux repose ainsi sur des mécanismes passifs, c’est-à-dire sans mécanotransduction. / A fast and efficient immunity response needs leukocytes’ability to migrate within the entire organism. Their migration, called amoeboid, is characterized by a high speed (10-20 μm.min-1) and a great adaptability to move through various environment, either two-dimensional as luminal endothelial surface or tri-dimensional (3D) environment as tissue. Since the observation of leukocytes migrating without adhesion through solid 3D medium, amoeboid migration is described as requiring either adhesion or friction with solid support to permit motility. We showed here that effector T lymphocytes are able to swim without any interaction with solid substrate. Propulsion is based on actin retrograde flow coupled with transmembrane proteins linked to cytoskeleton (like integrins) which drag a brush of polymeric molecules in interaction with the medium. Furthermore, cell guidance is required for many crucial functions as organism growth or immune system. However, when crawling on luminal endothelial surfaces, cells are exposed to blood flow and they robustly orient either with or against the flow with unknown mechanisms. We showed that lymphocytes and neutrophils flow orientation can be explain without any molecular flow sensor of shear stress. Lamellipodium for neutrophils and uropod for lymphocytes is non-adherent and orients in the direction of flow like a wind vane. Front-rear cell polarization aligns the axis of the whole cell with the non-adherent pole oriented by flow. Flow mechanotaxis of leukocytes relies on passive mechanisms without mechanotransduction.

Une des questions cruciales dans le débat écologique actuel est de déterminer si la plasticité phénotypique pourra permettre aux espèces de répondre au rythme rapide des changements environnementaux en cours. L’objectif général de cette thèse était d’étudier les effets d’un appauvrissement en acide gras polyinsaturés du type n-3 (AGLPI) sur la plasticité de deux espèces, le bar européen (Dicentrarchus labrax) et le bar rayé (Morone saxatilis). L’effet combiné d’une augmentation de la température et d’une réduction en disponibilité des AGLPI n-3 nutritionnels chez les juvéniles de bar européen a entrainé une modification importante des acides gras neutres musculaires ainsi qu’un taux de croissance et une masse hépatique plus faibles. À température élevée, une croissance accrue a été observée avec les deux régimes, suggérant une absence de carence. En revanche, l’aliment n’a pas eu d’effets sur les facteurs transcriptionnels hépatiques liés à la régulation de la bioconversion des AG. Les juvéniles nourris avec le régime appauvri en AGLPI n-3 présentaient une vitesse critique de nage accrue en présence de contraintes hypoxiques et hypoosmotiques. Chez le bar rayé, le régime alimentaire modifie les profils en AG du muscle (fraction neutre) et du foie. Le régime pauvre en AGLPI n-3 a été associé à une augmentation de la masse cardiaque, sans effet sur la croissance en eau froide. Un niveau de stress plus élevé associé à des mortalités a été observé en eau douce. Ces résultats contribuent à une meilleure compréhension de l’impact des changements globaux sur les organismes aquatiques et ouvrent la voie à de nouvelles perspectives de recherche. / One of the major questions in the current ecological debate about global change is whether phenotypic plasticity will enable species to respond to the rapid pace of ongoing environmental change. The general objective of this thesis was to study the effects of n-3 polyunsaturated fatty acid (n-3 PUFA) depletion on the plasticity of two species, the European bar (Dicentrarchus labrax) and the striped bass (Moronesaxatilis). In juvenile European bass, the combined effect of an increase in temperature and of a reduction in availability of n-3 nutritional PUFA resulted in marked modifications of the profile in neutral muscular fatty acids and a smaller liver mass.At high temperature, growth was increased with the two diets which suggests an absence of nutritional deficiency.Conversely, diet did not affect the hepatic transcriptional factors involved in regulation of FA bioconversion. Juveniles fed the low AGLPI n-3 diet had a higher critical swimming speed in presence of hypoxic or hypoosmotic constraints. In striped bass juveniles, AGLPI n-3nutritional availability brought modifications of lipid profile both in muscle (neutral fraction) and in liver. Diet with low AGLPI n-3 was associated with a larger cardiac mass, but had no effect on growth in cold water. A higher stress level was observed in FW which was associated to higher mortality.These results contribute to a better understanding of the impact of global changes on marine organisms and pave the way for new research perspectives.

De nombreux micro-organismes vivants se propulsent en utilisant des cils ou des flagelles. Cette nage à petit nombre de Reynolds a fait l'objet de nombreuses études théoriques et expérimentales sur les organismes vivants. Toutefois il existe très peu de modèles physiques expérimentaux. Nous décrivons ici la construction des cils artificiels microscopiques actionnés par un champ magnétique. Ces cils artificiels ont en commun avec les cils réels un très grand allongement, une grande flexibilité et un mode d'actuation par couple réparti. Nous avons étudié les dynamiques de battement (planaire et tridimensionnel) de ces cils magnétiques. Nous avons également caractérisé les forces et les écoulements qu'ils induisent dans le fluide environnant.

Ce travail vise une meilleure compréhension de l'adaptation aux conditions d'élevage par une approche comportementale basée sur la comparaison de diverses populations de téléostéens pour trois espèces, l'une marine, le bar (Dicentrarchus labrax), les deux autres d'eau douce, l'omble chevalier (Salvelinus alpinus) et la truite commune (Salmo trutta). La thèse s'articule en deux parties qui ont permis : 1) de tester des facteurs biotiques et abiotiques sélectionnés en fonction de leur importance en élevage du bar et de l'omble chevalier. 2) de caractériser les effets de la domestication sur le comportement par le biais d'une comparaison entre des bars ou des truites sauvages et domestiqués à des âges différents et dans des contextes variables (challenges, labyrinthe). Dans la première partie, les travaux réalisés sur l'omble chevalier ont montré que la présence d'un refuge artificiel durant la phase de nutrition endogène induisait une forte diminution de la mobilité accompagnée de meilleures performances de croissance et d'une survie plus importante, que la taille de l'œuf et l'environnement social jouaient un rôle important sur le comportement alimentaire et la mobilité des juvéniles dans les semaines qui suivent la première nutrition exogène. Les travaux réalisés sur le bar ont montré qu'un aliment végétal ne modifiait pas les capacités d'apprentissage en condition d'auto-alimentation ni leurs capacités cognitives en situation de test en labyrinthe, mais qu'il semble réduire l'activité de nage et la libération à court terme du cortisol. Une autre expérience a montré que la pratique du tri et l'environnement social qui en résulte, en conditions d'auto-alimentation, a peu d'influence sur la demande, le rythme, le gaspillage alimentaires, la structure sociale, les performances de croissance et le statut physiologique. Une période de trois semaines de jeûne, enfin, ne modifie pas la structure sociale et les manipulateurs principaux sont les mêmes avant et après cette période, ce qui pourrait être lié à l'existence de traits de personnalité basés sur le pourcentage d'activation de la tige tactile du dispositif d'auto-alimentation. Dans la seconde partie de la thèse, l'expérience sur la truite a mis en évidence un effet de la domestication sur l'activité de nage avant et après application d'un stress lumineux, en utilisant un matériel biologique contrôlé par génotypage (vitesse angulaire plus élevée chez les individus sauvages, vitesse moyenne et distance parcourue plus importantes chez les individus domestiqués). Les expériences réalisées sur le bar ont comparé des populations sauvages capturées à l'état larvaire dans le milieu naturel à des populations standard industrielles. La première a montré l'influence combinée de l'âge et de mécanismes d'ordre ontogénique sur l'activité de nage et le taux de réponse de fuite (diminution chez les deux catégories de larve). L'impact de la domestication se traduit par des différences entre individus sauvages et domestiquées (vitesse angulaire et vigilance plus élevés chez les individus sauvages). En situation de labyrinthe, la domestication ne semble pas avoir d'influence sur le grégarisme et la cognition chez le bar, mais il existe une forte variabilité individuelle. La discrimination de la familiarité, enfin, n'a pu être mise en évidence que chez les individus domestiqués.L'approche comportementale a permis de révéler une plasticité en réponse à quelques facteurs abiotiques et abiotiques, qui constitue un véritable levier adaptatif pour les téléostéens en élevage. L'effet de la domestication sur le comportement a également été démontré ainsi que l'influence de l'âge et des mécanismes ontogéniques dont la nature reste à déterminer. Cette thèse s'inscrit dans la lignée des travaux qui vise à sélectionner les téléostéens sur leurs traits de personnalité dans l'optique d'une adaptation optimale en élevage ou dans la perspective de programmes de repeuplement.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Pour améliorer les performances des robots sous marins, l’une des approches poursuivie par les roboticiens, appelée biomimétisme, consiste à imiter ou à s’inspirer des systèmes vivants pour concevoir des robots de nouvelle génération. C’est dans ce contexte que s’est récemment déroulé un projet européen nommé ANGELS, dont l’objectif est la réalisation d’un robot bio-inspiré de l’anguille. Ce travail expérimental s’inscrit dans ce projet et est consacré à l’étude de la nage du robot. Les expériences ont été réalisées dans un canal hydraulique conçu pour cette étude. Dans un premier temps, nous avons caractérisé par traitement d’images les allures (i.e. les lois de déformation du corps) adoptées par une anguille nageant soit dans un écoulement uniforme frontal ou dans un courant traversier. Cette étude a donné lieu à l’établissement d’un modèle mathématique corrélatif de la déformation du corps de l’anguille dans ces conditions de nage. Dans un second temps, afin d’étudier les effets de la déformation du corps sur l’écoulement latéral, produit lors de la nage, des expériences par PIV ont été réalisées sur différents modèles de cylindres elliptiques rigides. Ces résultats nous ont permis de mieux comprendre et de valider une approche théorique permettant de calculer la force de propulsion en réponse à la loi de déformation du corps. Enfin, des expériences portant sur la nage anguilliforme dans un écoulement de type allée de von-Kàrmàn ont été réalisées en vue d’étudier les interactions hydrodynamiques et en particulier les mécanismes d’extraction de l’énergie de l’écoulement incident. Ces expériences ont été réalisées avec une anguille et un robot anguilliforme. Les expériences menées sur le robot montrent que pour une même loi de déformation du corps, la force de propulsion générée, en comparaison avec le cas de l’écoulement uniforme, peut sous certaines conditions être augmentée de près de 30 ont, quant à elles, permis de mettre clairement en évidence une modification de l’allure de nage de l’anguille lorsqu’elle est placée dans une allée de von-Kàrmàn. L’analyse qualitative de cette nouvelle allure nous a conduit à proposer un mode particulier d’extraction d’énergie de l’écoulement. / In order to improve the performance of the submarine robots, the robotics community has been considered a new approach known as the biomimetic. It consist on the study of a living systems such, fish, to design and construct a bio-inspired robot. In this context, recently was took place an European project called ANGELS, in which the objective is to design and construct a fish-like robot inspired from the swimming of the eel. This thesis takes place in this project and is dedicate to the study of the swimming of the robot. Experiments were carried out in a hydrodynamic test bed designed and entirely set up for this study. At first,the kinematic shapes (i.e. deformation of the body) adopted by living eel during its swimming against or slantwise a uniform flow, were characterized by mean ofan image processing analysis technique. This study has allowed the establishing of a mathematical correlative model, describing the deformation of the eel’s body in these swimming conditions. Secondly, we studied the effects of the body’s deformation on the lateral flow produced during swimming. PIV experiences were carried out on different elliptic cylinder shapes. These experiments have allowed the understanding and the validation of a theoretical approach, concerning the swimming dynamic of the fish, used to obtain the propulsion force produced in reply of the body deformation during swimming. Finally, experiments were carried out during the anguilliform swimming in a non-uniform flow such as, avon-Kàrmàn vortex street. The goal was to study the hydrodynamics interactions and in particular the mechanisms of the exploited vortices adopted by fish. These experiences were realized on the swimming of a living eel and an anguilliform robot. Experiments led on the robot show that under certain conditions, the propulsive force of the robot swimming in a von-Kàrmàn vortex street can be increased of about 30 comparison to its swimming in a uniform flow. Experiments with eel have allowed the highlighting of a particular shape of its body deformation formed when it’s swimming in a reverse von-Kàrmàn vortex street. The qualitative analysis realized on this kinematic observation led us to propose a mechanism adopted by the eel to exploited energy from altered flow.

Le travail présenté dans ce manuscrit est consacré à l'élaboration d'un modèle dynamique de la nage pour la commande du futur "Robot Anguille" du projet ROBEA-CNRS du même nom. Dans l'absolu, le calcul des interactions entre un corps déformable et le fluide sur lequel il s'appuie pour se déplacer, est un problème complexe nécessitant l'intégration des équations de Navier-Stokes couplées aux équations non-linéaires de la dynamique du corps soumis à des transformations finies. Poursuivant des objectifs de commande pour la robotique, la solution proposée dans ce travail est basée sur la fusion de deux théories : celle du "corps mince" issue de la mécanique des fluides et celle des "poutres Cosserat" de la mécanique du solide. La première théorie permet de remplacer l'écoulement 3-D autour du poisson par la stratification "tranche par tranche" d'écoulements plans, transverses à l'axe principal du corps de l'animal. Quant à la seconde, elle assimile le poisson à l'assemblage continu de sections rigides modélisant ses vertèbres ou, dans un contexte plus technologique, les plate-formes parallèles de notre robot bio-mimétique. Sur la base de cette modélisation, le travail présenté a pour but d'établir les dynamiques de la tête et des vertèbres du poisson afin d'élaborer in fine un algorithme de simulation numérique basé sur le "formalisme de Newton-Euler" de la robotique, ici étendu aux robots locomoteurs continus. Finalement, le modèle élaboré réalise une généralisation du modèle de Lighthill au cas de la nage tridimensionnelle d'un corps élancé autopropulsé. Outre ce résultat purement analytique, le simulateur qui en résulte nous a permis de mettre au point des allures jamais étudiées jusqu'alors. Qui plus est, il tourne en "temps réel", tout en maintenant un bon niveau de précision (i.e. inférieur à 10%) comparé à la référence basée sur la résolution numérique des équations de Navier-Stokes.